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  2. 武漢工程大學:先進能源技術中電催化劑的腐蝕與防護
    2024-06-05 14:31:07 作者:腐蝕與防護 來源:腐蝕與防護 分享至:

     

    目前,化石燃料能源消耗的持續增加和嚴重的生態問題引起了全球的關注。水分解、金屬-空氣電池、燃料電池等清潔能源技術可以有效地應用于改善生態問題和能源利用。電催化劑可以降低反應活化能,提高這些能源技術的反應動力學和能量轉換效率。

    然而,電催化劑在各種使用條件下,包括電壓、酸、堿電解質,更容易受到腐蝕。一般來說,腐蝕行為會改變電催化劑的宏觀形貌和微觀結構,從而影響其催化活性和穩定性。近年來,各種研究對電催化劑的腐蝕化學進行了探索,并為先進的電化學能源技術開發了優良的電催化劑。

    基于先進能源技術中電催化劑的腐蝕與防護的最新成果,武漢工程大學楊歡教授團隊針對化學腐蝕、金屬腐蝕轉化和腐蝕重構等多種腐蝕策略在構建優良電催化劑中的應用進行了研究,并對其影響因素進行了評價和總結。為了提高電催化劑的穩定性,綜述了各種緩蝕策略,如改進載體和調整成分并優化結構。此外,從構效關系的角度考察了催化劑腐蝕在電化學能源技術中的應用。最后總結出電催化劑腐蝕在能量轉換和存儲技術中的前景和挑戰,為高效低腐蝕電催化劑的設計提供了新的思路和方向,有利于可持續能源技術中腐蝕化學的發展。相關研究成果已于近期發表在Advanced Functional Materials期刊上。

     

     

     

     

     

     

     

    要點一

    制備電催化劑的腐蝕策略

    酸和堿蝕刻是典型的化學蝕刻方法,可用于構建豐富的活性位點或提供原子缺陷;金屬腐蝕可以自發地在金屬表面進行,金屬材料的結構在腐蝕過程中發生變化,可以通過金屬溶解、表面沉積、原子修飾等方式來提高其性能(圖1a);與自發的化學腐蝕相反,催化劑的電化學腐蝕將在外部電位下引起表面重構。特別是,電催化劑的局部電子結構可以通過重構過程來調節,該過程可以不可逆地將電催化劑表面的金屬原子轉化為高活性的氫(氧)氧化物(圖1b)。

    圖1 a)金屬材料的化學腐蝕;b)電催化劑的電化學腐蝕重構示意圖

     

    要點二

    電催化劑的緩蝕策略

    對于碳負載的電催化劑,可以采用表面改性和雜原子摻雜碳等多種策略來提高載體與催化劑之間的結合強度;具有保護殼的電催化劑涂層具有物理空間約束效應,可以通過電解質與電活性物質的間接接觸來防止腐蝕;合金化可以優化電催化劑表面的電子結構,有利于形成穩定的鈍化層。
    此外,促進的電荷轉移可以減少電催化劑表面形成的活性氧,從而減緩腐蝕過程;摻雜會使摻雜劑與腐蝕性介質發生反應。形成的保護涂層可以防止腐蝕性介質接觸電催化劑,提高電催化劑的耐腐蝕性。
    一般來說,電催化劑的結構特征包括形狀、局部尺寸、表面構型/納米結構和活性相。因此,結構優化可以改善結晶度,增加粒徑,降低表面自由能,被認為是改善電催化劑腐蝕的最佳策略之一(圖2)。更重要的是,電催化劑的結構優化可以保持較高的活性和穩定性。

    圖2 不同電催化劑的結構優化

     

    要點三

    電化學能源技術中電催化劑的腐蝕

    水電解制氫高效環保,是一種理想的清潔能源。電催化劑可以顯著影響H2產率和整體水分解效率。在構建水分解電催化劑的不同策略中,腐蝕工程可以將有害的腐蝕過程轉化為優良的催化劑。
    腐蝕工程已經采用氫氧化物作為OER催化劑。例如,采用微生物腐蝕策略構建高級氫氧化鎳催化劑(圖3a);典型的金屬-空氣電池,鋅-空氣電池具有成本低、理論能量密度高的優點。由于氧電催化反應動力學慢使鋅空氣電池穩定性差和功率密度低。在充放電過程中,顆粒的結構崩塌和團聚導致其活性和穩定性的衰減(圖3b)。因此,設計了連續摻氮碳納米管基體,增強其耐腐蝕性和穩定性,大大提高了鋅空氣電池的功率密度和循環穩定性;燃料電池具有功率/能量密度高,能將化學能轉化為電能的優點。ORR在燃料電池中充當陰極。然而,O=O鍵難以激活/裂解限制了ORR動力學。為此,采用腐蝕法設計了一維束狀Pt-Ni合金納米籠。與商業Pt/C催化劑相比,這些構建的納米籠具有更好的質量活性和穩定性(圖3c)。更重要的是,組裝后的燃料電池具有高電流密度,并在180小時內保持穩定(圖3d)。較低的誘導Pt-O鍵數量有助于提高性能。

    圖3 電化學能源技術中電催化劑的腐蝕

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